半透明光伏玻璃窗对室内负荷的影响

黄佳 李苏泷

南京理工大学能源与动力工程学院

随着光伏发电技术的发展，太阳能光伏建筑一体化受到了广泛的关注。光伏组件与建筑结合，可作为建筑外窗玻璃、幕墙，能有效地利用建筑外表面进行光伏发电，为建筑提供电能，同时还可以减少太阳辐射。因此，近年来光伏组件与建筑结合的一体技术得到迅速发展。文献[1]结合实验分析了Low-e等几种普通窗与不同构造的光伏窗的全年能耗；文献[2]调查了6种商用的半透明光伏窗性能，并模拟研究了其在不同朝向与窗墙比情况下建筑的净电效益（Net Electrical Benefit）；文献[3]对我国5种不同气候条件下的光伏双层通风玻璃幕墙（PV-DSF）和光伏中空通风玻璃窗（PV-IGU）的综合能量性能进行了研究，结果显示在5个代表城市PV-IGU的节能性比PV-DSF的更好；文献[4]结合实验，研究了香港地区普通单层面、自然通风双层窗、强迫通风双层窗对建筑得热，降低空调负荷等的影响；文献[5]模拟了双层光伏窗在华东地区的热性能，分析光伏窗在冬夏季对室内得热的影响；文献[6]建立了光伏建筑一体化墙体的传热模型，并通过模拟得出光伏墙体可以减少夏季空调冷负荷。以上文献对建筑得热多以某一典型日进行分析，本文以广州地区典型办公建筑为例，运用建筑能耗分析软件EnergyPlus对薄膜光伏玻璃和普通玻璃两种窗户进行模拟，比较其对全年累计冷负荷的影响。

1 模型概况

本文模拟对象为广州地区典型办建筑，南北朝向，围护结构参数如表1。人员密度设定为9 m2/人，照明强度为9 W/m2，设备功率密度为5 W/m2。夏季室内设计温度为26℃，新风量为30 m3/(h·人)。

表1 围护结构参数

光伏组件透光率低，可以有效减少外窗得热，减少室内冷负荷，但同时会引起光伏组件的温升，不仅增加了窗户对室内传热，而且也会降低光伏板的发电效率。因此光伏窗通常设置为双层，半透明光伏薄膜组件置于窗体外侧，普通透明白玻璃位于窗体内侧，中间为空腔。本文采用的光伏薄膜玻璃窗和普通玻璃窗物理特性如表2所示。

表2 玻璃光学参数

2 光伏玻璃窗与普通玻璃窗对室内负荷的影响比较

本文运用EnergyPlus软件模拟研究了不同窗墙比对薄膜光伏玻璃和普通玻璃对室内冷热负荷的影响，模拟用室外气象条件为当地典型气象年。夏季典型设计日为7月21日，天气状况为晴朗。

2.1 夏季室内负荷分析

图1为夏季典型设计日室内14:00时的瞬时冷负荷随南外墙窗墙比的变化。采用光伏窗户与普通玻璃窗户两种不同方式的外窗构造，室内冷负荷值皆为上升趋势，但与普通玻璃窗相比，光伏窗室内负荷增长速率较为缓慢。由于光伏玻璃组件透光率较低，仅为普通玻璃的8.6%，可以有效削弱太阳辐射，减少室内辐射得热，从而显著降低室内冷负荷。广州处于亚热带地区，太阳辐射较强，采用透光率较低的光伏玻璃窗不仅不影响室内光照度，还可以有效降低眩光度，提高光舒适感。

窗户传热分为两部分：一部分为辐射得热，通过太阳辐射直接引起的室内冷负荷；另一部分为导热得热，由温度较高于室内空气温度的玻璃引起的室内负荷。图2比较了夏季典型设计日14:00时辐射得热和导热得热在两种玻璃窗的占比情况。普通玻璃窗对室内负荷的影响基本均匀分布于辐射和导热，两者差距随窗墙比的增加而增加，形成室内负荷以辐射为主的趋势；而光伏玻璃窗却完全以导热为主，太阳辐射只占室内负荷的1%左右，导热传热量随窗墙比的增加，由占室内负荷7%增加到48%，几乎成为室内负荷的主要因素。这是由于光伏窗透明度低而吸收率高，光伏组件在发电的同时会产生一定的温升，从而导致窗户本身温度较高，其中一部分是对室外传热，另一部分会直接通过窗户导热进入室内。

图1 夏季典型设计日14:00室内冷负荷

图2 窗户得热量占比分布

2.2 制冷周期的月累积负荷分析

考虑到建筑立面的美观，现在越来越多的公共建筑采用幕墙玻璃。图3和图4比较了窗墙比为0.1和0.7时两种窗户在制冷周期内的月累积负荷，其中0.7窗墙比的建筑模型可视为将南面外墙设计为玻璃幕墙。结果表明，光伏玻璃外窗房间室内月累积负荷都要明显低于普通玻璃外窗房间负荷，当窗墙比为0.1时，基本可视为普通建筑对窗户的要求，可以看出光伏外墙房间累积负荷平均要低于普通窗10%左右；当窗墙比为0.7（玻璃幕墙）时，光伏玻璃外墙的节能效果显著，其中10月和11月，相对于普通外窗，光伏窗室内负荷减少了45%，而其他月份，除4月外，基本也减少了30%负荷，表明当窗墙比增大时，光伏外窗的节能效果愈加显著。因此，对于夏热冬暖地区的玻璃幕墙建筑，制冷周期较长，采用光伏玻璃窗不但可以有效利用外窗发电，还可大幅减少室内负荷，节能效果显著。

图3 窗墙比为0.1时月累积冷负荷

图4 窗墙比为0.7时月累积冷负荷

2.3 全年累积负荷分析

图5给出两种窗户在不同窗墙比条件下的全年累计冷负荷。结果显示，随窗墙比的增大，光伏窗的节能效益就愈显著；窗墙比为0.1时，相比普通玻璃窗，双层光伏窗可以减少室内12%的空调负荷，当窗墙比为0.9时，光伏窗建筑全年累积负荷仅为普通玻璃窗建筑的58%。采用光伏外窗，使累计冷负荷和供冷能耗均得以减少。

建筑能耗不仅与其负荷相关，也与空调系统的能源利用效率有关。如果忽略空调系统COP在供冷周期内的变化，供冷的节能率与累计冷负荷的相对减少率应大致相等。因此，对于使用玻璃幕墙的建筑，添加光伏组件对于空调系统的节能很有意义。

图5 全年累积冷负荷比较

3 中间空气层通风对室内负荷的影响

为了提高光伏外窗的能源利用效率，对空气腔可设置通风以冷却光伏组件温度，减少室内得热。空腔中空气循环方式一般有两种形式，室内循环与室外循环，如图6所示。由于模拟地区为广州，属于亚热带地区，若使用室内循环，虽然有效的降低光伏组件背面温度，但会直接将这部分热量引入室内，室内窗户附近空气温度升高，增大室内冷负荷，同时导致室内温度存在分区，影响舒适度。因此，对于夏热冬暖地区，选用室外循环不仅能降低光伏组件温度，还能减少对室内传热，达到降低室内冷负荷的目的。本文将薄膜光伏组件与墙体之间的空气层视为纯导热层，这样薄膜光伏窗户传热过程可以分为两部分：光伏窗户的导热传热，包括光伏窗户内外表面与室内外环境以导热、对流形式进行的传热；光伏窗户辐射传热，为透过光伏窗户的太阳辐射引起的室内得热。

图6 空气夹层的两种形式（室内循环/室外循环）

3.1 自然通风空气层宽度对负荷的影响

通风可以加强光伏板对外散热，降低光伏板温度和室内冷负荷，同时也有利于提高光伏发电的效率。空气腔宽度的变化对于室内冷负荷有一定的影响[6]，本文拟对此进行定量研究。由于空气层宽度变化相对较小，除窗户传热以外，对室内其他负荷变化的影响几乎可以忽略，因此，此处只分析光伏窗的导热量和全年累积负荷的变化。

图7给出了三种不同窗墙比建筑的窗户导热随空气层宽度变化的情况。当窗墙比较小时，改变空气腔宽度，对传热无明显影响。而当窗墙比较大时，空气层增加到20 mm后，传热量基本无变化，说明对于大面积的光伏窗，增加空气宽度只在一定的范围内才能有效减少室内得热。图8给出不同空气腔宽度情况下，三种窗墙比的建筑全年累积负荷。由图可见，对于小窗墙比的建筑，改变空气层宽度对全年负荷无明显影响，故小面积的光伏窗空气层宽度不宜超过20 mm；大窗墙比情况下，其宽度也不宜超过40 mm，以避免浪费空间。

图7 通风通道对窗户导热的影响

图8 通风通道全年累积负荷的影响

3.2 机械通风对室内冷负荷的影响

自然通风可以减少室内负荷，但削弱效果有限，图9给出了三种不同窗墙比建筑的窗户导热随空气层流量变化的情况。结果显示，对于不同窗墙比的光伏窗，采用机械通风的方式增大通风量，都可以有效增加光伏窗的对外散热，降低室内得热；尤其是对于较大窗墙比的光伏窗，采用机械通风的效果更加显著。但是，当单位窗户宽度的通风量达到0.03 m3/(s·m)后，继续增加对室内得热无明显影响。图10为三种不同窗墙比建筑全年累积负荷随通风量的变化，对于0.1窗墙比的建筑随着通风量的增加，全年累积负荷基本无变化，因此对于小窗墙比的光伏窗，采用自然通风即可。对于窗墙比为0.7的建筑，当通风量增加到0.01 m3/(s·m)时，全年累积负荷减少22%，但继续增加通风量对降低全年累积负荷无显著效果，故对于较大窗墙比建筑，机械通风量不宜超过0.01 m3/(s·m)，避免机械能不必要的消耗。

图9 空气层流量对窗户传热的影响

图10 空气层流量全年累积负荷的影响

4 结论

1）与普通玻璃窗相比，双层光伏窗可以有效削弱夏季辐射得热，降低室内负荷；而且窗墙比越大，节能效果越明显。当窗墙比为0.7时，全年累积负荷可减少34%。

2）在双层光伏窗空气层中，采取通风措施，可以一定程度地降低室内负荷。但对于窗墙比较小的建筑，空气腔宽度不宜超过20 mm；大窗墙比情形，则不宜超过40 mm；。

3）双层光伏窗添加机械通风可以显著降低室内负荷，降低全年能耗，但机械通风适用于外窗面积较大的建筑，而且通风量不宜超过0.01 m3/(s·m)，过量的机械通风不仅不能进一步减少室内负荷，还会造成风机能耗的浪费。

4）采用双层光伏窗，虽然在实现光伏发电的同时，大幅度降低了空调系统负荷和能耗，但将带来初投资增加等问题。